Les diamants synthétiques dirigent l’équipe de Princeton dans la percée du chiffrement quantique

Stocker des bits d'informations quantiques, ou qubits, est beaucoup plus difficile que de stocker des chiffres binaires ordinaires. Ce ne sont pas simplement des uns ou des zéros, mais tout un éventail de superpositions quantiques subtiles entre eux. Les électrons peuvent facilement glisser hors de ces États s’ils ne sont pas stockés dans les matériaux appropriés. C’est pourquoi les ingénieurs électriciens de Princeton collaborent avec un fabricant britannique pour créer un meilleur matériau de stockage - les diamants synthétiques - à partir de rien. Ils ont publié un compte-rendu de leur succès jeudi dans Science.

Depuis des décennies, des physiciens, des ingénieurs des matériaux et d’autres tentent de concrétiser les promesses conceptuelles des communications chiffrées, car les données transférées au cours de ce processus sont en principe à l’abri de la surveillance secrète. Toute tentative d’observation de ces données entre les parties - selon le principe d’incertitude de Heisenberg - modifierait fondamentalement ces informations, révélant rapidement qu’elles étaient compromises. Le problème a été de stocker et de préserver les qubits, puis de les convertir en photons prêts pour la fibre optique, et l’utilisation des diamants semble être la voie à suivre pour atteindre les deux. Mais ce n’est pas le cas de tous les diamants. C’est pourquoi l’équipe de Princeton s’est employée à créer un produit synthétique, comme ils l’ont décrit dans leur document.

«Les propriétés que nous ciblons sont importantes pour les réseaux quantiques», explique Nathalie de Leon, ingénieur électricien Inverse. À Princeton, où De Leon est professeure adjointe, son équipe s’intéresse essentiellement à l’invention du matériel quantique. "Ce sont des applications pour lesquelles vous voulez quelque chose qui a une longue durée de stockage, mais qui possède également une bonne interface avec les photons, de sorte que vous puissiez envoyer de la lumière sur de très longues distances."

Les interactions photoniques sont très importantes pour les communications internationales à grande vitesse car toutes les informations transitant par des câbles à fibres optiques transitent par notre infrastructure mondiale sous forme de photons discrets, affichant une vitesse de croisière de 69% de la vitesse de la lumière. (Agréable.)

«Cela impose beaucoup de contraintes aux caractéristiques optiques», explique De Leon. «Par exemple, il est très important que la couleur soit stable. Si la couleur du photon saute avec le temps, c’est vraiment mauvais pour ces protocoles."

À l’heure actuelle, le groupe de Leon tente de fabriquer une version de ces diamants synthétiques pouvant être convertie à la longueur d’onde standard de 1 550 nanomètres sur laquelle les photons traversent maintenant des câbles à fibres optiques. Actuellement, les diamants synthétiques de son équipe prennent en charge des longueurs d’onde de photons de 946 nanomètres. (Photon "couleur" est un peu un euphémisme ici puisque ces deux longueurs d'onde sont des nuances de l'infrarouge en dehors du spectre visible.)

L’obstacle que son équipe vient de franchir est de stocker ces qubits dans des répéteurs quantiques cristallins, similaires aux répéteurs utilisés actuellement pour empêcher la perte et la dégradation du signal dans les communications par fibres optiques. L'étape critique de ce processus consistait à produire des diamants synthétiques contenant le moins possible d'impuretés indésirables (azote, principalement) et davantage d'impuretés qu'ils souhaitaient réellement (silicium et bore).

"L'azote s'avère être le principal défaut que l'on retrouve dans ces diamants", déclare de Leon. Les partenaires de son groupe chez le diamantaire britannique Element Six ont dû créer des conditions de vide supérieures à la moyenne, car même les aspirateurs ordinaires peuvent laisser suffisamment d’azote dans la chambre pour contaminer les cristaux fabriqués artificiellement. Parce que l'azote a un électron libre de plus que le carbone, les impuretés d'azote perturbent la composition électrique unique que les chercheurs espèrent.

D’autres petits défauts peuvent également compromettre le potentiel de stockage de ces diamants.L’objectif est d’avoir des paires de lacunes de la taille d’un atome dans la structure cristalline à côté d’un atome de silicium substitué où se trouvait jadis un seul carbone, mais ces paires peuvent parfois se regrouper en «grappes de lacunes» qui commencent à redistribuer leurs électrons de manière agaçante, des moyens contre-productifs. Parfois, les dommages causés par le polissage et la gravure à la surface du diamant peuvent également provoquer un effet domino, ce qui perturbe également ce type d'électrons. C'est ici que l'ajout de bore - qui contient un électron libre de moins que le carbone - peut aider.

«Ce que nous devions faire, dit de Leon, c’est à la fois de commencer avec ce diamant de très haute pureté, puis de croître dans du bore pour absorber tous les électrons supplémentaires que nous ne pouvions pas contrôler. Ensuite, il y avait beaucoup de traitement de matériaux - des trucs ennuyeux comme le recuit thermique et la réparation de la surface à la fin pour s'assurer que nous nous débarrassions de beaucoup de ces autres types de défauts qui vous donnent des frais supplémentaires."

La maîtrise de ces deux défis, dont de nombreux suspects sur le terrain, sont les clés d'un chiffrement quantique totalement fonctionnel et presque impossible.

Avant l’avènement des diamants synthétiques il ya quelques années à peine, les chercheurs en optique quantique devaient s’appuyer sur les diamants naturels pour faire leur travail, un diamant en particulier.

Selon De Leon, tous les acteurs de l'optique quantique devaient compter sur un seul diamant de fabrication naturelle, fabriqué en Russie, qui présentait le pourcentage adéquat de bore, d'azote et d'autres impuretés pour que leurs recherches soient possibles. Des fragments de diamant ont été scindés et distribués à des groupes de recherche du monde entier.

"De nombreux groupes avaient leur propre petit morceau du diamant russe" magique "", a déclaré de Leon au service de presse interne de Princeton en 2016. "À Harvard, nous avons appelé nos" Magic Alice "et" Magic Bob "".

Ainsi, TL; DR, les scientifiques occidentaux sont de mieux en mieux capables de fabriquer leurs propres diamants magiques d’informatique quantique au lieu de dépendre des éclats de diamants magiques de l’informatique quantique magique de la Russie. C'est une phrase factuelle qui semble ridicule. Classic 2018.